CN212778615U - 一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，结构包括：水冷坩埚、结晶器内套、水套、固定喷水头、可动喷水头、稳弧线卷、坩埚冷却水道、炉体、检修人孔、真空系统抽气口、观察口、水冷电极、动密封盒、阴极电缆、极距调节装置、电极导杆、加料室、密封料斗、震动加料机、加入弧柱区的散料、阳极电缆、弧区、液态金属熔池、铸锭、坩埚出水口、铸锭牵引装置等部分组成。本实用新型装置可以脱除铸锭中分配系数不等于1的金属杂质，脱除氢、氧杂质，省去电极制备工序，克服传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂、设备投资大弊端，具有生产效率高、厂房投资小、生产操作简便、金属损耗小、能耗低的优点。

Description

一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置

技术领域

本实用新型涉及一种熔铸装置，用于钛及钛合金熔铸过程，属于有色金属加工技术领域，尤其涉及一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置。

背景技术

钛是难熔的活性金属，熔炼温度一般在1800-2000℃，常用的燃料火焰炉的火焰温度无法满足钛及钛合金的熔炼工艺要求，常用的耐火炉衬无法盛放钛及钛合金熔体，常用的熔炼装置、熔炼技术和熔化方法无法熔炼也无法得到合格的钛合金铸锭。采用真空自耗电弧熔炼炉可以生产合格的钛及钛合金铸锭，存在的问题是：

采用真空自耗电弧熔炼技术熔炼钛及钛合金时，需要专用的电极制备装置，操作过程需要在氩气保护的条件下进行，设备投资大、生产准备环节多、生产流程长、生产成本高；无法有效回收、利用后道加工工序所产生的工艺废料，极大地增加了钛锭的原料制造成本。

发明内容

本实用新型就是针对上述不足，提出一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置。

上述目的是通过下述方案实现的：

该装置以一个或者多个水冷铜电极为阴极，以水冷结晶器为阳极，以0.4-1.2大气压的氩气或者氦气为介质，通电使介质发生电离，形成高温、稳定的电弧，经过净化处理的钛及钛合金散碎的回炉料，通过加料口连续输送进入高温弧柱区而被熔化，形成金属液滴，当液态金属以液滴的形式通过4000-5000℃的电弧区时，金属液滴在高温、真空状况下实现脱气、除杂的净化过程，经过净化精炼的金属液滴汇集在水冷结晶器中凝固，在合金凝固过程中，依据溶解度差、密度差和分凝效应，合金得到进一步净化、提纯，最终得到成分均匀的钛及钛合金铸锭。

钛及钛合金的多电极真空非自秏电弧熔炼铸造装置由水冷坩埚1、结晶器内套1a、水套2、固定喷水头3、可动喷水头4、稳弧线卷5、坩埚冷却水道6、炉体7、检修人孔8、真空系统抽气口9、观察口10、水冷电极11、动密封盒12、阴极电缆13、极距调节装置14、电极导杆15、加料室16、密封料斗17、震动加料机18、加入弧柱区的散料19、阳极电缆20、弧区21、液态金属熔池22、铸锭23、坩埚出水口24、铸锭牵引装置25等部分组成。钛及钛合金多电极真空非自秏电弧熔炼装置的结构示意图，见图1。

根据上述装置，其特征在于，该电弧熔炼装置省去了电极制备工序，不需要庞大的电极压制设备和电极焊接装置，克服了传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大弊端。简化了生产工艺、缩短了生产流程，大大减少了厂房和设备投资。

根据上述装置，其特征在于，该电弧熔炼装置直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭，克服了传统电弧熔炼装置不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。

根据上述装置，其特征在于，炉体7的作用是容纳水冷电极11，形成与周围大气隔离的密闭的真空空间。炉体7要求具有良好的气密性，且与下部水冷坩埚1联接和拆卸方便，便于操作。在炉体7上开设有检修人孔8和真空系统抽气口9。观察装置10安装在炉体7上，一般每台炉至少对称安装2套观察装置和远程观察装置，用于观察电弧燃烧情况、熔炼情况和电极焊接情况。

根据上述装置，其特征在于，电极装置由水冷电极11、动密封盒12、阴极电缆13、极距调节装置14、电极导杆15组成，电极装置用于夹持水冷电极11，并在熔炼、加料过程调节电极的升降，控制熔炼电压。熔炼电源系统一般采用直流电源，以保持熔炼过程中电弧稳定（图中未示出）。

根据上述装置，其特征在于，水冷坩埚1由结晶器内套1a、水套2、固定喷水头3、可动喷水头4、稳弧线卷5、坩埚冷却水道6、坩埚法兰7a、阳极电缆20等部分组成。水冷坩埚1通过坩埚法兰7a固定在炉体7上。坩埚铜套1a由厚壁铜管或者铸钢件加工而成，坩埚水冷装置（图中未示出）一般包括一套工艺冷却水系统，一套应急安保冷却系统。冷却水系统除对水冷坩埚1提供冷却，还对炉体7、水冷电极11、动密封盒12、阴极电缆13、极距调节装置14、电极导杆15、阳极电缆20等部件提供冷却，应急安保冷却系统所储备的应急水必须足以将钛锭冷却到安全温度以下。

根据上述装置，其特征在于，稳弧线卷5中通入直流电流或者交流电流，利用线圈中产生的轴向磁场，减少弧区21的边狐，起到稳定弧区21电弧的作用。还能使熔池中的液态金属22旋转，起到搅拌作用，有利于杂质扩散，有利于均匀合金组元。搅拌还能破碎枝晶，起到细化铸锭组织的作用。稳弧线卷5通常为中空的管材绕制而成，内通工业软水冷却，以减少发热。

根据上述装置，其特征在于，在结晶器内套1a和水套2形成的水道的上部，设置固定的环形喷淋管3，环形喷淋管3上开设有直径为2-3mm的喷水孔，孔间距为10-15mm。环形喷淋管3中的冷却水由喷淋孔喷射到结晶器内套1a的外壁，一部分冷却水吸热蒸发对结晶器降温，一部分冷却水沿结晶器壁流下，由冷却水出水口24流出。

根据上述装置，其特征在于，在熔铸大型铸锭或者熔铸的铸锭较长时，可以在冷却水道的中部，设置可动的环形喷淋管4，冷却水由喷淋孔喷射到结晶器内套1a外壁，喷淋位置随着结晶器中金属液液位22的上升而上升，对合金凝固过程提供最佳的冷却效果。

根据上述装置，其特征在于，冷却水在重力的作用下沿结晶器内套1a外壁流下，采用这种结构的结晶器的冷却效果好，由于水道中没有积层过量的冷却水，发生结晶器内套1a烧穿时，喷淋管及时断水，没有过量的水流入结晶器内腔中，不会产生过量的氢气，避免爆炸事故的发生。

根据上述装置，其特征在于，该结晶器可以设置水套2，也可以不设置水套2。设置水套2时，可以降低冷却水消耗；不设置水套2时，在发生侧弧和烧穿结晶器内套1a时，由于空气进入使炉压迅速升高，有利于电弧熄灭，有利于设备运行安全。

根据上述装置，其特征在于，弧区21是该熔炼装置的热能来源，由阴极区、弧柱区、阳极区三部分组成。弧柱区位于阴极区和阳极区之间，温度约为4500-4900℃，熔炼过程中，散碎的回炉料19中的杂质分解和挥发过程都在此区进行。阳极区位于阳极表面，温度在1800-1900℃之间，阳极区的温度影响熔池22的深浅、铸锭23凝固结晶过程和铸锭提纯效果。

根据上述装置，其特征在于，熔炼过程是一个定向的连续过程，在水冷电极11的弧柱区21，熔化的炉料19所形成的金属液滴受重力、电磁力、电弧放电冲击力的作用下，向下运动进入，金属液滴在弧柱区4500-4900℃的高温作用下，液滴中的低熔点夹杂和溶入的气体挥发，并被真空系统抽走，对金属起到净化、提纯作用，提纯后的金属汇入液态金属熔池22。

根据上述装置，其特征在于，经过高温弧柱区21净化的金属液，汇入阳极区的金属熔池22中，在熔池22的底部发生金属液的凝固过程，受迅速冷却作用气体溶解度减小等因素的影响，原来溶解在金属液中未被脱除的气体，继续从金属液和结晶前沿中溢出。金属液中的非金属夹杂受密度差的作用上浮脱除。通过提纯作用可以去除原料中带入的水、金属镁、氯化镁、钛的低价氯化物、溶解于钛中的大部分氢、部分脱除钛中的铁和硅。

根据上述装置，其特征在于，钛及钛合金的凝固是从铸锭23的底部依顺序向上凝固的，依据分凝效益，合金中的V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zr、Mg等杂质元素富集于铸锭7的浇口部位，而C、N、O、Nb、Mo等杂质元素富集于铸锭23的头部，通过扒皮和切除铸锭的头尾部，可以保证中部铸锭23的质量。

根据上述装置，其特征在于，电弧熔炼是在真空条件下进行，熔炼过程具有高温、低压的特点，可以利用蒸发作用，实现液态金属的脱气、脱氧、除杂等精炼过程，实现对金属液提纯。

使用本实用新型的钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，可以利用顺序结晶和分凝效益，脱除铸锭中分配系数不等于1的金属杂质，可以利用电弧熔炼具有高温、真空的特点，脱除液态金属中的氢、氧、杂质，可以生产满足后道加工工艺要求的、优质的钛及钛合金铸锭。省去了电极制备工序，不需要庞大的电极压制设备和电极焊接装置，克服了传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大弊端。简化了生产工艺、缩短了生产流程，大大减少了厂房和设备投资。直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭，克服了传统电弧熔炼装置不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。本装置具有熔铸生产效率高、设备投资相对较小，生产操作简便，生产过程中金属损耗小，能耗低的优点。

附图说明

图1钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置示意图。

具体实施方式

该多电极真空非自耗电弧熔炼装置的工作原理是：以一个或者多个水冷铜电极为阴极，以水冷结晶器为阳极，以0.4-1.2大气压的氩气或者氦气为介质，通电使介质发生电离，形成高温、稳定的电弧，经过净化处理的钛及钛合金散碎的回炉料，通过加料口连续输送进入高温弧柱区而被熔化，形成金属液滴，当液态金属以液滴的形式通过4000-5000℃的电弧区时，金属液滴在高温、真空状况下实现脱气、除杂的净化过程，经过净化精炼的金属液滴汇集在水冷结晶器中凝固，在合金凝固过程中，依据溶解度差、密度差和分凝效应，合金得到进一步净化、提纯，最终得到成分均匀的钛及钛合金铸锭。

钛及钛合金的多电极真空非自秏电弧熔炼铸造装置由水冷坩埚1、结晶器内套1a、水套2、固定喷水头3、可动喷水头4、稳弧线卷5、坩埚冷却水道6、炉体7、检修人孔8、真空系统抽气口9、观察口10、水冷电极11、动密封盒12、阴极电缆13、极距调节装置14、电极导杆15、加料室16、密封料斗17、震动加料机18、加入弧柱区的散料19、阳极电缆20、弧区21、液态金属熔池22、铸锭23、坩埚出水口24、铸锭牵引装置25等部分组成，见图1。

该电弧熔炼装置省去了电极制备工序，不需要庞大的电极压制设备和电极焊接装置，克服了传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大弊端。简化了生产工艺、缩短了生产流程，大大减少了厂房和设备投资。直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭，克服了传统电弧熔炼装置不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。

该装置的炉体7的作用是容纳水冷电极11，形成与周围大气隔离的密闭的真空空间。炉体7要求具有良好的气密性，且与下部水冷坩埚1联接和拆卸方便，便于操作。在炉体7上开设有检修人孔8和真空系统抽气口9。观察装置10安装在炉体7上，一般每台炉至少对称安装2套观察装置和远程观察装置，用于观察电弧燃烧情况、熔炼情况和电极焊接情况。

电极装置由水冷电极11、动密封盒12、阴极电缆13、极距调节装置14、电极导杆15组成，电极装置用于夹持水冷电极11，并在熔炼、加料过程调节电极的升降，控制熔炼电压。熔炼电源系统一般采用直流电源，以保持熔炼过程中电弧稳定（图中未示出）。

水冷坩埚1由结晶器内套1a、水套2、固定喷水头3、可动喷水头4、稳弧线卷5、坩埚冷却水道6、坩埚法兰7a、阳极电缆20等部分组成。水冷坩埚1通过坩埚法兰7a固定在炉体7上。坩埚铜套1a由厚壁铜管或者铸钢件加工而成，坩埚水冷装置（图中未示出）一般包括一套工艺冷却水系统，一套应急安保冷却系统。冷却水系统除对水冷坩埚1提供冷却，还对炉体7、水冷电极11、动密封盒12、阴极电缆13、极距调节装置14、电极导杆15、阳极电缆20等部件提供冷却，应急安保冷却系统所储备的应急水必须足以将钛锭冷却到安全温度以下。

稳弧线卷5中通入直流电流或者交流电流，利用线圈中产生的轴向磁场，减少弧区21的边狐，起到稳定弧区21电弧的作用。还能使熔池中的液态金属22旋转，起到搅拌作用，有利于杂质扩散，有利于均匀合金组元。搅拌还能破碎枝晶，起到细化铸锭组织的作用。稳弧线卷5通常为中空的管材绕制而成，内通工业软水冷却，以减少发热。

在结晶器内套1a和水套2形成的水道的上部，设置固定的环形喷淋管3，环形喷淋管3上开设有直径为2-3mm的喷水孔，孔间距为10-15mm。环形喷淋管3中的冷却水由喷淋孔喷射到结晶器内套1a的外壁，一部分冷却水吸热蒸发对结晶器降温，一部分冷却水沿结晶器壁流下，由冷却水出水口24流出。在熔铸大型铸锭或者熔铸的铸锭较长时，可以在冷却水道的中部，设置可动的环形喷淋管4，冷却水由喷淋孔喷射到结晶器内套1a外壁，喷淋位置随着结晶器中金属液液位22的上升而上升，对合金凝固过程提供最佳的冷却效果。

采用这种结构的结晶器的冷却效果好，冷却水在重力的作用下沿结晶器内套1a外壁流下，由于水道中没有积层过量的冷却水，发生结晶器内套1a烧穿时，喷淋管及时断水，没有过量的水流入结晶器内腔中，不会产生过量的氢气，避免爆炸事故的发生。该结晶器可以设置水套2，也可以不设置水套2。设置水套2时，可以降低冷却水消耗；不设置水套2时，在发生侧弧和烧穿结晶器内套1a时，由于空气进入使炉压迅速升高，有利于电弧熄灭，有利于设备运行安全。

弧区21是该熔炼装置的热能来源，由阴极区、弧柱区、阳极区三部分组成。弧柱区位于阴极区和阳极区之间，温度约为4500-4900℃，熔炼过程中，散碎的回炉料19中的杂质分解和挥发过程都在此区进行。阳极区位于阳极表面，温度在1800-1900℃之间，阳极区的温度影响熔池22的深浅、铸锭23凝固结晶过程和铸锭提纯效果。熔炼过程是一个定向的连续过程，在水冷电极11的弧柱区21，熔化的炉料19所形成的金属液滴受重力、电磁力、电弧放电冲击力的作用下，向下运动进入，金属液滴在弧柱区4500-4900℃的高温作用下，液滴中的低熔点夹杂和溶入的气体挥发，并被真空系统抽走，对金属起到净化、提纯作用，提纯后的金属汇入液态金属熔池22。经过高温弧柱区21净化的金属液，汇入阳极区的金属熔池22中，在熔池22的底部发生金属液的凝固过程，受迅速冷却作用气体溶解度减小等因素的影响，原来溶解在金属液中未被脱除的气体，继续从金属液和结晶前沿中溢出。金属液中的非金属夹杂受密度差的作用上浮脱除。通过提纯作用可以去除原料中带入的水、金属镁、氯化镁、钛的低价氯化物、溶解于钛中的大部分氢、部分脱除钛中的铁和硅。钛及钛合金的凝固是从铸锭23的底部依顺序向上凝固的，依据分凝效益，合金中的V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zr、Mg等杂质元素富集于铸锭7的浇口部位，而C、N、O、Nb、Mo等杂质元素富集于铸锭23的头部，通过扒皮和切除铸锭的头尾部，可以保证中部铸锭23的质量。电弧熔炼是在真空条件下进行，熔炼过程具有高温、低压的特点，可以利用蒸发作用，实现液态金属的脱气、脱氧、除杂等精炼过程，实现对金属液提纯。

钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置工作过程如下：

将经过烘干的海绵钛、经过挑选和净化处理的钛残料和合金元素或者中间合金，按照配料要求的比例混合均匀，所有原料中的碳、氮、氧的含量必须要低。

在水冷结晶器的底部铺上引弧料，在真空或者惰性气体保护下，使非自耗电极与引弧料之间产生电弧，调整电极与结晶器底部之间的距离，直到在电极之间形成稳定的弧柱区。将经过净化处理的散碎炉料沿加料口加入弧柱区,依靠电弧的热量使炉料熔化，熔化的金属以液滴形式通过弧柱区，在弧柱区的高温、真空环境作用下，发生气体和易蒸发杂质的去除，经过净化的金属液进入坩埚并凝固成铸锭。

进入熔炼后期，即进入铸锭封顶补缩阶段，目的是减少铸锭头部的缩尾和疏松，减少铸锭的切头量。进入封顶期，将电流调整到正常电流的三分之一，逐步调整到正常电流的十分之一。封顶结束后，将铸锭冷却到400℃以下出炉。

使用本实用新型的钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，可以利用顺序结晶和分凝效益，脱除铸锭中分配系数不等于1的金属杂质，可以利用电弧熔炼具有高温、真空的特点，脱除液态金属中的氢、氧、杂质，可以生产满足后道加工工艺要求的、优质的钛及钛合金铸锭。省去了电极制备工序，不需要庞大的电极压制设备和电极焊接装置，克服了传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大弊端。简化了生产工艺、缩短了生产流程，大大减少了厂房和设备投资。直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭，克服了传统电弧熔炼装置不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。本装置具有熔铸生产效率高、设备投资相对较小，生产操作简便，生产过程中金属损耗小，能耗低的优点。

Claims (7)

1.一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，其特征在于，结构包括：水冷坩埚(1)、结晶器内套(1a)、水套(2)、固定喷水头(3)、可动喷水头(4)、稳弧线卷(5)、坩埚冷却水道(6)、炉体(7)、检修人孔(8)、真空系统抽气口(9)、观察口(10)、水冷电极(11)、动密封盒(12)、阴极电缆(13)、极距调节装置(14)、电极导杆(15)、加料室(16)、密封料斗(17)、震动加料机(18)、加入弧柱区的散料(19)、阳极电缆(20)、弧区(21)、液态金属熔池(22)、铸锭(23)、坩埚出水口(24)、铸锭牵引装置(25)等部分组成。

2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，其特征是，炉体（7）的作用是容纳水冷电极(11)，形成与周围大气隔离的密闭的真空空间，炉体(7)要求具有良好的气密性，且与下部水冷坩埚(1)联接和拆卸方便，便于操作。

3.根据权利要求2所述的一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，其特征是，在炉体(7)上开设有检修人孔(8)和真空系统抽气口(9)，观察口(10)安装在炉体(7)上，一般每台炉至少对称安装2套观察装置和远程观察装置，用于观察电弧燃烧情况、熔炼情况和电极焊接情况。

4.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，其特征是，电极装置由水冷电极(11)、动密封盒(12)、阴极电缆(13)、极距调节装置(14)、电极导杆(15)组成，电极装置用于夹持水冷电极(11)，并在熔炼、加料过程调节电极的升降，控制熔炼电压。

5.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，其特征是，水冷坩埚(1)由结晶器内套(1a)、水套(2)、固定喷水头(3)、可动喷水头(4)、稳弧线卷(5)、坩埚冷却水道(6)、坩埚法兰(7a)、阳极电缆(20)等部分组成，水冷坩埚(1)通过坩埚法兰(7a)固定在炉体(7)上，结晶器内套(1a)由厚壁铜管或者铸钢件加工而成，坩埚水冷装置包括一套工艺冷却水系统，一套应急安保冷却系统，冷却水系统除对水冷坩埚(1)提供冷却，还对炉体(7)、水冷电极(11)、动密封盒(12)、阴极电缆(13)、极距调节装置(14)、电极导杆(15)、阳极电缆(20)等部件提供冷却，应急安保冷却系统所储备的应急水必须足以将钛锭冷却到安全温度以下。

6.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，其特征是，稳弧线卷(5)中通入直流电流或者交流电流，利用线圈中产生的轴向磁场，减少弧区(21)的边狐，起到稳定弧区(21)电弧的作用；还能使熔池中的液态金属旋转，起到搅拌作用，有利于杂质扩散，有利于均匀合金组元；搅拌还能破碎枝晶，起到细化铸锭组织的作用；稳弧线卷(5)通常为中空的管材绕制而成，内通工业软水冷却，以减少发热。

7.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金的多电极真空非自耗电弧熔炼装置，其特征是，在结晶器内套(1a)和水套(2)形成的水道的上部，设置固定的环形喷淋管，环形喷淋管上开设有直径为2-3mm的喷水孔，孔间距为10-15mm。

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